Le changement climatique et les émissions de gaz à effet de serre, ainsi que le besoin d'énergies renouvelables et d'un avenir plus durable, poussent l'économie mondiale vers la mobilité électrique. Pour réussir, l'adoption des véhicules électriques (VE) et d'autres processus d'électrification en cours nécessitent la disponibilité de batteries plus efficaces, plus rentables et plus sûres. Au cours des dernières années, d'énormes efforts et investissements ont été consacrés à la création de batteries de nouvelle génération, principalement en se concentrant sur la chimie des batteries, de nouvelles formules chimiques et de nouveaux matériaux tels que les batteries lithium-soufre et lithium-métal.
Addionics, une start-up israélienne/britannique, a suivi une approche différente de celle des autres entreprises, se concentrant sur la physique plutôt que sur la chimie. L'approche agnostique de la chimie d'Addionics signifie qu'elle peut toujours bénéficier des progrès de la chimie tout en apportant de nouvelles technologies à la physique des batteries grâce à une conception physique innovante de la cellule de batterie. La nouvelle architecture de batterie permet d'obtenir des améliorations significatives des performances dans une variété de dimensions sans nécessiter de changement dans la chimie de la batterie.
« Les électrodes de batterie d'aujourd'hui sont fabriquées à l'aide de films d'aluminium très fins, semblables au papier d'aluminium ordinaire que nous utilisons pour emballer les aliments », a déclaré Vladimir Yufit, directeur technique d'Addionics. « Leur objectif est de collecter le courant à partir de matériaux actifs dans les batteries, et cette approche est la même depuis des décennies. Notre idée était de prendre cette fine feuille et de la rendre tridimensionnelle, avec un design et une architecture différents. L'objectif de l'entreprise est de concevoir ces électrodes métalliques poreuses tridimensionnelles, de les fabriquer et de construire des batteries basées sur ces technologies avancées. sans souci. »
En prenant la structure d'électrodes en couches 2D existante et en la remplaçant par une structure 3D intégrée, Addionics a développé une technologie capable d'améliorer considérablement les performances de la batterie, en réduisant les coûts et le temps de charge, tout en augmentant la densité de puissance et l'énergie de la batterie. La méthode de fabrication métallique 3D brevetée et évolutive minimise la résistance interne et améliore la longévité mécanique, la stabilité thermique et d'autres limitations et facteurs de dégradation typiques que l'on peut trouver dans les batteries standard.
Les batteries d'aujourd'hui font face à un compromis énergie/puissance : elles peuvent stocker plus d'énergie, ou elles peuvent se charger et se décharger plus rapidement. Pour les applications EV, cela signifie qu'il n'y a pas de batterie qui puisse fournir une longue autonomie et une charge rapide en même temps. Un autre problème lié à la technologie actuelle des batteries est la non-concordance anode-cathode. Les dernières avancées dans la chimie des batteries lithium-ion englobent l'utilisation de silicium dans l'anode de la batterie au lieu de simplement du graphite pur.
Malheureusement, les chimies cathodiques dominantes d'aujourd'hui ne sont pas en mesure d'égaler les niveaux d'énergie élevés des anodes, limitant l'introduction de ces nouvelles technologies. Addionics apporte une solution à ces deux problèmes clés en repensant la cellule. De plus, la technologie Addionics peut être appliquée à la fois aux anodes et aux cathodes, ce qui signifie que des cathodes plus épaisses et plus énergétiques peuvent être construites à l'aide d'une architecture avancée. Les cathodes dotées de ces structures 3D auront une énergie plus élevée et correspondront à la capacité des technologies émergentes d'anodes à haute énergie.
« Notre solution adopte une approche physique, pas chimique ; cela signifie que nous pouvons travailler avec presque n'importe quel type de chimie de batterie et nous pouvons ajuster notre technologie aux nouvelles réglementations ou aux nouveaux matériaux », a déclaré Yufit.
Les chimies de batterie existantes peuvent voir leurs performances améliorées avec des électrodes 3D, et les chimies avancées émergentes peuvent avoir des défis de mise en œuvre surmontés grâce à des structures 3D. Addionics a déjà démontré l'avantage des électrodes 3D avec différents types de chimies.
Figure 1 : Conception de la cellule 3D d'Addionics (Source : Addionics)
Électrode en métal poreux
L'idée de base d'Addionics est de fabriquer des électrodes 3D très poreuses qui remplacent les feuilles métalliques classiques. De cette manière, il est possible d'augmenter significativement la surface externe des électrodes elles-mêmes, avec des résultats positifs sur le fonctionnement des cellules. Avoir une structure 3D permet un meilleur transport de l'électrolyte et, par conséquent, une résistance interne plus faible. La figure 1 fournit une comparaison entre la structure de batterie conventionnelle (à gauche) et la conception de cellule 3D d'Addionics (à droite).
Dans la structure de batterie conventionnelle, le matériau actif (noir et violet) est recouvert d'une feuille métallique 2D dans les structures d'anode et de cathode, tandis que dans la conception de cellule 3D d'Addionics (électrodes 3D), des électrodes intégrées avec un matériau actif sont intégrées à l'intérieur du métal 3D. En passant à des conceptions d'électrodes 3D, les batteries peuvent obtenir trois améliorations de performances clés : une densité d'énergie accrue, une résistance interne inférieure et des performances plus sûres et plus durables grâce à une meilleure dissipation de la chaleur et une stabilité mécanique plus élevée.
La structure poreuse inventée par Addionics augmente les performances sans affecter le fonctionnement de l'électrode, qui reste homogène et stable même lorsque la puissance utilisée pour la charge augmente. Cela signifie qu'avec une électrode 3D, une batterie lithium-ion peut durer deux fois plus longtemps, se recharger plus rapidement et permettre une augmentation de l'autonomie des véhicules électriques. La figure 2 montre comment les électrodes 3D peuvent augmenter la durée de vie de la batterie. Le premier prototype de cellule de poche Addionics (vert) a démontré plus de 2,000 20 cycles avec seulement XNUMX % de dégradation de la capacité, par rapport aux cellules standard à base d'aluminium (noir).
Figure 2 : Il a été prouvé que la technologie d'électrode 3D d'Addionics augmente la durée de vie de la batterie. (Source : Addionics)
Addionics a également développé une approche innovante de la fabrication qui permet non seulement de produire des structures 3D à un coût compétitif sur le marché, mais également de réduire les coûts. Pour optimiser la conception de la structure métallique 3D, Addionics a développé un logiciel de modélisation de batterie avancé basé sur l'IA qui guide le processus de fabrication pour créer des structures optimales. Enfin, pour mettre en œuvre avec succès des structures de batterie 3D à grande échelle, de nouveaux procédés de revêtement doivent être développés pour revêtir uniformément les structures métalliques 3D.
Addionics a noué des partenariats avec de grandes entreprises pour développer des batteries, y compris celles qui travaillent sur le développement de véhicules électriques et de groupes motopropulseurs. "Notre objectif ambitieux est d'intégrer nos batteries dans chaque véhicule électrique", a déclaré Yufit. « Bien que notre technologie puisse être utilisée par les équipementiers, nos applications peuvent également être utiles dans l'électronique grand public, ce qui peut être encore plus critique car ces appareils peuvent utiliser des batteries moins nombreuses et plus petites en raison des limitations d'espace très restreintes. Nous nous concentrons actuellement sur l'amélioration de la densité énergétique dans trois principales chimies de batteries : le silicium, le LFP [lithium fer phosphate] et l'état solide.
L'article publié à l'origine dans la publication sœur Power Electronics News.